平纹编织复合材料层板单面挖补修理的附加铺层分析研究及试验验证

平纹编织复合材料层板单面挖补修理的附加铺层分析研究及试
验验证
刘国春;庞杰;杨文锋;张吉武;唐庆如
【摘要】针对平纹编织复合材料在航空中的不断应用与该类型层板维修研究的缺失性,根据不同附加铺层的平纹编织复合材料层板维修工况,进行了三维有限元模型分析计算,制订了综合母板、胶层、补片的多重失效准则,并进行了相应的试验验证,得到结论如下:附加层的铺设对于提高修补板强度有积极的效果,试验中发现增加附加铺层数会由于粘接区域的增加,而导致更多的维修缺陷影响恢复效果,建议修理中附加铺层数不宜过多;铺层条件下的平纹编织碳纤维/环氧材料层板结构最佳附加铺层为一层,结构最高修复强度恢复率达到了65.57％,该结论也可为其他类型的平纹编织复合材料层板维修提供参考.分析过程中采用的三维有限元修补模型得到的强度值和破坏区域与试验数据基本吻合,说明计算模型与失效准则能够满足维修设计的需求,为实际修理提供较为准确的参考指标.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2015(015)013
【总页数】5页(P200-204)
【关键词】平纹编织;附加铺层;有限元分析;试验验证;单面挖补
【作者】刘国春;庞杰;杨文锋;张吉武;唐庆如
【作者单位】中国民用航空飞行学院航空工程学院,广汉618307;中国民用航空飞行学院航空工程学院,广汉618307;中国民用航空飞行学院航空工程学院,广汉
618307;中国民用航空飞行学院航空工程学院,广汉618307;中国民用航空飞行学
院航空工程学院,广汉618307
【正文语种】中文
【中图分类】V214.35;TB330.1
随着复合材料在飞机中的大量应用，结构损伤的维修重要性凸显开来。

常用的复合材料修理方法为主要以胶接修补为主，根据受损母板的铺层进行修补设计恢复其使用强度。

其中胶接维修分为挖补和贴补两种类型，挖补在维修表面获得良好的修理外形上有着较大的优势，而影响复合材料挖补修理效果的维修参数很多，因而针对挖补参数修理的研究工作较多。

孟凡颢等[1]针对单向带层板挖补修理的胶接长度、挖补角度进行了实验与理论方面的研究。

徐建新等[2]对单向带阶梯挖补的阶梯数目、补片半径、铺层方式等参数进行了理论分析的优化研究。

汪源龙等[3]针对单
向带层板挖补的维修角度进行了分析优化。

陈光伟等[4]对阶梯型对接复合材料层
板的力学性能进行了实验测定。

国外的Baker[5，6]和Fredrickson等[7]分别建
立了复合材料层合板阶梯式挖补修理结构的三维有限元模型，理论分析结果与实验结果吻合度较高，并通过该分析模型对维修参数进行了一些研究。

复合材料结构挖补修理中通常会在初始铺层表面额外添加数层与补片材料相同的铺层，称为附加铺层，铺层角度以0°为主，层数为1～3层，主要是应用于增加修补片的强度和刚度，减小胶接区域的受载。

附加铺层的参数一般是参照美国FAA制
订的复合材料维修文件[8]或者国内的《复合材料维修指南》[9]进行，而针对附加铺层的研究较少，郭霞[10]等人对单向带层板维修的附加铺层数目进行了一定的研究，认为附加层可以提高修补板的力学性能，附加层的数目不宜过多，不要超过3层。

由于单面维修板引入了附加层之后整体结构的非对称性，在受到面内拉伸时会出现
弯曲现象，附加层贴补面为凹面，附加层附近区域表面的结构应力会直接影响修补效果。

此外平纹编织复合材料由于材料面内强度性能优异，逐渐在飞机结构中大量应用，该类型材料与单向带在性能上有较大差异，不一定适用于原有基于单向带试验得到的复合材料结构修补方案，而关于平纹编织复合材料附加铺层的研究还未在国内外文献中有所提及，因此有必要从理论分析与试验验证两方面对平纹编织复合材料层板的附加铺层进行详细研究。

1.1 维修结构与材料参数
研究的平纹编织碳纤维层板挖补修理中，母板和补片通过胶层粘接在一起，材料性能参数见表1，共分为8层，每层厚度t=0.25 mm，铺层形式为[02(±45)]s。

补片与母板之间的胶膜材料性能见表2。

图1为复合材料损伤结构的阶梯挖补示意图，其中修补结构的所有Y向宽度统一为25 mm，修补板整长L=225 mm，胶层厚度tc=0.2 mm，阶梯修补的挖补角α为2°，补片的第一层长度L1=34.5 mm，第8层长度L8=134.5 mm，其中L1到L8为等比变化，变化量为t/tanα。

第一层附加层N1与L8的长度差为2d，第二层附加层N2与N1的长度差为2d，其中d=25.4 mm。

1.2 边界条件
由于修补结构相对于XZ面与YZ面对称，因此以XZ中面与YZ中面对整体结构进行对称处理，分析模型为原有模型的1/4，对维修母板端部施加100 MPa的拉伸载荷，最终的修理结构有限元网格模型见图2。

1.3 失效判据
复合材料结构维修中通常涉及复合材料结构强度与胶层强度的判定，而复合材料结构包括母板与补片，常见的修补结构失效判据为单一考虑复合材料结构强度或者胶层强度[11,12]，与实际破坏情况有着较大出入。

本研究中将复合材料母板强度、修补片强度与胶层强度综合考虑，针对平纹编织碳纤维/环氧材料拉压强度相近的
特点，采用蔡-希尔强度准则对复合材料母板与补片进行校核，其表达式如式(1)。

胶层采用挖补角平面内的最大剪切应力与许用剪切应力相比进行校核，其失效表达式为：
τmax≥τ许用
三个失效强度中取最小值即为修补结构的临界破坏强度，并能够判断其相关失效部位。

1.4 计算工况分析
针对附加铺层数目对修补效果的影响变化，分别计算了附加铺层为0层，1层和2层的维修情况，胶层长度随最外铺层长度进行相应变化，将计算结果整理于表3。

由于外载荷为双向拉伸载荷，为了研究其主要应力分布状况与最大载荷位置，图3，图4，图5为三种修补情况下的整体结构X向应力云图。

由表3的计算结果可知，随着附加层数目的增加，胶层、补片、母板的破坏强度
都在逐步增长，单层与两层附加层整体结构强度分别为无附加层的120.15%与131.35%，增加幅度较大。

其中无附加层与单层附加层的修补工况极限载荷区域
均出现在维修表层部分，说明在挖补角度为2°时，应该重点关注修补区域表层的
修补质量。

当表层进一步补强到两层附加层时，结构极限载荷出现在母板的第2层与胶层相
邻区域，说明该条件下补片强度已经足够，决定修补板强度的主要因素为母板原始强度，进一步增强补片附加铺层对于结构整体强度的增加已经意义不大。

当母板达到临界应力时，胶层、补片的强度比分别为104.86%和108.05%，从等强度角度分析认为该工况是较优的修补方案。

2.1 实验条件与试件数目
根据修补模型的计算结果进行了试样的制备，采用平纹编织碳纤维/环氧预浸料分
别制作了2°修补角的一层与两层附加铺层的维修大板各3块，以及1块进行强度
比对的完好板，利用热补仪进行升温固化，固化温度为180 ℃，保温时间120 min，修补完成的样板如图6所示，两侧为加强片，中间区域为修补区。

将每块修补板和1块完好板切割成5根试验样条，进行拉伸破坏试验以检测其强
度(见图7)，采用标准ASTM D3039进行测试，试验中使用Bairoe多功能实验机对试验件进行单向拉伸加载，测试温度为室温(23±3) ℃，试验加载速度均为2 mm/min，试验结果整理见图8。

2.2 试验结果分析
单层附加铺层的15根试验样条破坏区域统一出现在修补区域的一侧或是两侧，说明该修补工况下补片与胶层相邻处承受较大的载荷，最大的强度恢复率为65.57%，达到了复合材料结构维修强度恢复率为60%～80%的正常水平[13]，基本满足复
合材料结构维修的要求。

而两层附加层的试验样条破坏区域具有一定的离散性，有6根的破坏区域为维修
区域的一侧，而有9根样条的破坏区域发生在母板距离维修区域较远的部位，这
与有限元分析中分析得出的由于附加铺层的强度增大导致母板中较脆弱的部分发生破坏比较吻合。

由于实际修补过程中影响恢复强度的外界环境因素与操作因素较多，试验结果中出现了两层附加铺层的修补强度甚至还低于一层附加层的情况，说明一味地增加补片强度对于修补效果意义不大，过多的试验操作步骤和过长的修补区域可能会引起更多的修补缺陷导致强度降低。

综合分析理论计算与试验验证结果，将所有的强度数值折算为强度恢复率整理到图9中。

由图9可知，本研究中采用的三维有限元修补模型得到的强度值和破坏区域与试验数据基本吻合，此种强度校核方式同实际情况比较接近，能够对实际维修提供较好的指导。

针对本研究的平纹编织复合材料层板单面挖补维修中，添加附加铺层的维修效果明
显好于无附加铺层的情况。

至于最佳铺层数目的确定，有限元计算的结果为两层附加层为最优修补方式，但是实际维修过程中，由于增加修补区域可能会导致更多的修补缺陷，单层附加铺层的修补效果在试验中好于两层附加铺层的情况，综合考虑理论与试验情况认为该维修条件下单层附加铺层为最佳的修补方式。

针对平纹编织复合材料层板单层维修的最优附加铺层进行了分析，分别从三维有限元模型计算与相应的试验验证两方面研究，得到结论如下：①附加层的铺设对于提高修补板强度有积极的效果，试验中同时也发现过多的附加铺层会增加维修区域，从而可能导致更多的维修缺陷影响恢复效果，建议维修过程中附加铺层数目不宜过多；②本研究铺层条件下的平纹编织碳纤维/环氧材料层板结构最佳附加铺层为一层，结构最高修复强度恢复率达到了65.57%，该结论也可为其他类型的平纹编织复合材料层板维修提供参考；③分析过程中采用的三维有限元修补模型得到的强度值和破坏区域与试验数据基本吻合，说明该计算模型与失效准则能够满足维修设计的需求，为实际修理提供较为准确的参考指标。

【相关文献】
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